Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für eine
Gasturbinenmaschine.
Stand der Technik
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Die Funktion des Brennerabschnitts einer Gasturbinenmaschine
bsteht darin, den Maschinenkraftstoff und die Druckluft
vollständig zur Reaktion zu bringen, die von dem stromaufwärtigen
Brennerabschnitt zugeführt wird, bevor die erhitzten
Verbrennungsprodukte in den stromabwärtigen Turbinenabschnitt
abgegeben werden. Typische Brenner enthalten das Motorarbeitsfluid in
einem ringförmigen Bereich, der durch innere und äußere
Maschinengehäusewände festgelegt ist, während der Kraftstoff und die
Luft innerhalb von einer oder mehreren Brennkammern gemischt
und zur Reaktion gebracht werden, die innerhalb des
ringförmigen Bereichs angeordnet sind.
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Eine typische Brennkammer ist durch einen luftgekühlten Einsatz
festgelegt, der eine Mehrzahl von öffnungen aufweist, um
Druckluft, die durch den stromaufwärtigen
Maschinenkompressorabschnitt zugeführt wird, einzulassen, und zumindest eine
Kraftstoffdüse zum Zuführen eines Verbrennungskraftstoffstroms.
Die Gasdynamik innerhalb der Brennkammer ist extrem komplex, da
der Konstrukteur darauf abzielt, das Mischen, die
Flammenstabilität, den Umschlagverhältnis-Verbrennungswirkungsgrad und den
Druckverlust innerhalb eines begrenzten Raums zu maximieren.
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Das Mischen und die Flammenstabilität werden in größeren
Maschinen dadurch erzielt, daß ein wesentlicher Teil der
Druckluft in die Brennkammer durch Luftöffnungen oder Öffnungen
gerichtet wird, die um den Rand der größeren Öffnung angeordnet
sind, durch welche die Kraftstoffdüse den Brennereinsatz
durchsetzt. Dieser Düsenluftstrom wird üblicherweise verwirbelt oder
anderweitig vektorisiert, um im Bereich des abgegebenen
Kraftstoffstroms innerhalb des Brenners eine unmittelbare Umwälzzone
zu erzeugen. Die umgewälzte Luft und die umgewälzten
Verbrennungsprodukte stabilisieren das reagierende
Luftkraftstoffgemisch innerhalb des Brenners und verhindern ein
Flammenverlöschen oder andere Instabilitäten Das rasch wirbelnde oder
umgewälzte Luftgemisch vergrößert außerdem die Verteilung und
Reaktion des Kraftstoffs innerhalb der Kammer und trägt dazu
bei, zu bewirken, daß der Kraftstoff und die Luft die
Verbrennungsreaktion beenden, bevor sie aus der Kammer austreten.
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Die Verwendung eines einzelnen Luftverwirbelers für jede
Kraftstoffdüse in Brenneranordnungen, bei denen eine Mehrzahl von
einzelnen Brennkammern innerhalb der ringförmigen Brennerzone
angeordnet sind, ist üblich, wenn nicht gar erforderlich, wobei
jede Kammer eine einzelne entsprechende Kraftstoffdüse
aufweist. Die Verwendung einzelner Verwirbeler ist außerdem in
größeren Gasturbinen durchaus üblich, bei denen eine Anordnung
mit einem einzigen Brenner verwendet wird; es hat sich jedoch
herausgestellt, daß es für kleinere Gasturbinenmaschinen
weniger wünschenswert ist, bei denen beschränkte Platzverhältnisse
es schwierig machen, einen einzelnen Luftverwirbeler für jede
Düse einzubauen. Ein weiterer Faktor, der bei der Konstruktion
eines Brenners für eine Gasturbinenmaschine berücksichtigt
werden
muß, ist die Fähigkeit dieses Brenners, schwankende bzw.
sich ändernde Kraftstoff- und Luftströme zu verarbeiten,
während eine stabile Leistung beibehalten wird.
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Die Druckschrift EP-A-0 019 417 lehrt einen ringförmigen
Brenner für eine Gasturbinenmaschine mit einem ringförmigen
Einsatz, welcher eine innere Brennkammer festlegt und einen
Druckluftstrom aufnimmt bzw. erhält, der auf das Äußere des
Einsatzes gerichtet ist, wobei der Druckluftstrom auf das Äußere des
Einsatzes einen äußeren Luftstrom festlegt, und mehrere
Kraftstoffdüsen zum Abgeben von Kraftstoff in die Kammer,
aufweisend:
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Eine erste Mehrzahl von Luftöffnungen, die in einem
kuppelförmigen Teil des Einsatzes angeordnet sind, um einen ersten Strom
entlang dem Innern des Einsatzes in im wesentlichen einer
ersten Richtung abzugeben,
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eine zweite Mehrzahl von Luftöffnungen, die an einem
stromaufwärtigen Randbereich von einer von zwei sich stromabwärts
erstreckenden Einsatzwänden angeordnet sind, um einen zweiten
Luftstrom entlang dem Innern des Einsatzes und in Richtung zu
dem kuppelförmigen Teil gerichtet einzulassen, und wobei
jede der Mehrzahl von Kraftstoffdüsen an dem Einsatz in einem
Punkt angeordnet ist, der mit dem lokalen
Außenluftstrom-Stagnationspunkt zusammenfällt.
Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Brenner-Kraftstoff-Einspritzeranordnung zu schaffen, welche
eine einzige ringförmige Umwälzzone während des Betriebs mit
voller Leistung beibehält, um die Flammenstabilität zu erhöhen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
eine Brenner-Kraftstoff-Einspritzeranordnung bereitzustellen,
die bei verringerten oder Startluftstromraten zufriedenstellend
arbeitet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der ringförmige Brenner
für eine Gasturbinenmaschine derart aufgebaut, wie im Anspruch
1 angeführt.
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Im folgenden werden die Funktionen des Brenners sowie weitere
bevorzugte Merkmale der Erfindung erläutert:
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Der Brennerabschnitt einer Gasturbinenmaschine erhält einen
Druckluftstrorn von einem Diffusorauslaß oder dergleichen. Der
Brennerabschnitt enthält einen Brennereinsatz, welcher eine
ringförmige Brennkammer festlegt, wobei der Einsatz so geformt
ist, daß er einen stromaufwärtigen kuppelförmigen Teil
festlegt, der direkt in dem zuströmenden Druckluftstrom angeordnet
ist, und zwei stromabwärtige Wände, die einen ringförmigen
Strömungspfad zum Richten des Stroms aus Verbrennungsprodukten
in den ringförmigen Einlaß des stromabwärtigen
Turbinenabschnitts begrenzen.
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Zumindest eine Luftstoßkraftstoffdüse ragt durch den
kuppelförmigen Teil an einem Punkt, der mit dem Stagnationspunkt des
Druckluftstromes zusammenfällt, der über das Äußere dieses
Einsatzes strömt. Die Düse gibt Kraftstoff in das Innere der
Brennkammer ab.
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Der Einsatz umfaßt außerdem eine Mehrzahl von Luftöffnungen,
die in den Einsatzwänden angeordnet sind, und einen
kuppelförmigen Teil zum Einlassen von Druckluft in die Brennkammer,
ausgehend von der Außenseite des Einsatzes. Die Luftöffnungen sind
so ausgerichtet, daß sie die Luft in die Brennkammer benachbart
zu der Innenseite des Einsatzes in einer Richtung abgeben, die
parallel zu dieser Innenseite angeordnet ist. Durch Anordnen
der Luftöffnungen von einer der Wände und des kuppelförmigen
Teils zum Abgeben von Kühlluft in im wesentlichen dieselbe
Richtung, sorgt die Einsatzanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung für die Erzeugung einer einzigen ringförmigen
Umwälzzone oder eines Wirbels innerhalb der Brennkammer sowie
benachbart zur Innenseite des kuppelförmigen Teils. Die Düse ist dazu
ausgelegt, einen verteilten Strom von Flüssigkraftstoff in den
zentralen Abschnitt der einzigen Umwälzzone abzugeben, wodurch
ein gutes Mischen und eine stabilisierte Flammenfront
sichergestellt werden.
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Eine Luftstoßkraftstoffdüse erfordert eine bestimmte Menge an
Luftströmung durch die Düse, um richtig zu funktionieren. Durch
Anordnen der Düsenöffnung in dem kuppelförmigen Teil
zusammenfallend mit dem Außenluftströmungs-Stagnationspunkt vergrößert
die erfindungsgemäße Einsatzanordnung den Anteil an Luft, der
benachbart zu sowie in die Düse während Perioden einer
verringerten oder einer relativ geringen Luftströmung erhöht, wodurch
die Düsen- und Brennerleistung während dieser Perioden
verbessert wird. Die Erhöhung der lokalen Luftstromzufuhr innerhalb
der Kammer hält eine Umwälzzone benachbart zu der
Kraftstoffdüse aufrecht, wodurch die Niedriglaststabilität des Brenners
verbessert wird.
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Die beiden genannten sowie weitere Aufgaben und Vorteile der
erfindungsgemäßen Brenneranordnung erschließen sich dem
Fachmann auf diesem Gebiet der Technik bei einem Studium der
folgenden detaillierten Beschreibung und der beiliegenden
Ansprüche sowie der Zeichnungsfiguren
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die einzige Figur zeigt einen teilweise geschnittenen
Brennerteil einer Gasturbinenmaschine mit einer Brenneranordnung gemäß
der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfigur ist ein Halbebenen-
Querschnitt einer Gasturbinenmaschine 10 gezeigt. Die Maschine
umfaßt einen vorderen Kompressorabschnitt 12, einen hinteren
Turbinenabschnitt 14 und einen dazwischenliegenden
Brennerabschnitt 16. Der Luftstrom, der in die Maschine zuströmt
tritt durch eine oder mehrere Kompressorstufen und tritt an der
letzten Stufe 18 am Kompressorauslaß 20 aus, der bei der in der
Figur gezeigten Ausführungsform mit einer Mehrzahl von
Diffusorrohren 22 verbunden ist, um die Geschwindigkeit zu
verringern und den statischen Druck der Kompressorauslaßluft zu
erhöhen.
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Der Luftstrom 24, der aus dem Diffusor austritt, strömt in eine
ringförmige Zone 25 in dem Brennerabschnitt 16, der durch ein
Paar von radial beabstandeten inneren und äußeren
Maschinengehäusen 26, 28 festgelegt ist.
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Angeordnet innerhalb der ringförmigen Verbrennungszone 25
befindet sich eine ringförmige Brennkammer 30, die durch einen
Einsatz 32 festgelegt ist. Der Einsatz 32 umfaßt außerdem einen
stromaufwärtigen Abschnitteil 34 mit einem kuppelförmigen
Querschnitt und zwei stromabwärtige radial beabstandete Wände 36,
38, die sich zwischen dem kuppelförmigen Teil 34 und dem ring-
förmigen Einlaß 40 des Turbinenabschnitts 14 erstrecken.
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Der Einsatz 32 umfaßt eine Mehrzahl von in ihm angeordneten
Öffnungen, umfassend eine stromaufwärtige Düsenöffnung 42, die
in dem kuppelförmigen Teil 34 an einem Punkt angeordnet ist,
welcher dem Außenfluidströmungs-Stagnationspunkt für den
Diffusorauslaßstrom 24 entsprechen würde, welcher den
stromaufwärtigen kuppelförmigen Teil 34 beauf schlagt. Eine
Luftstoßkraftstoffdüse 44 durchsetzt den Einsatz 32 durch die Düsenöffnung
42 und umfaßt eine Düsenspitze 46 zum Abgeben eines Stroms 48
von verteiltem Kraftstoff und Luft in die Kammer 30.
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Der Einsatz 32 wird durch eine Mehrzahl von Luftöffnungen 52,
54, 56, 70, 72, 74, 76 gekühlt, welche Druckluft aus der
Brennerzone 25 in das Innere der Kammer 30 abgeben. Die
Luftöffnungen sind so angeordnet, daß sie die Luft im wesentlichen
parallel zu der Innenseite des Einsatzes 32 abgeben und in
speziellen nachfolgend erläuterten Richtungen.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind die
Luftöffnungen 52, 54 und 56 derart ausgerichtet, daß sie die
entsprechenden Luftstrahlen 62, 64 und 66 im wesentlichen in
derselben allgemeinen Richtung in bezug auf das Innere der
Kuppel 34 abgeben. Die Kuppel-Luftstrahlen 62-66 induzieren
dadurch die Ausbildung eines einzigen ringförmigen
Umwälzwirbels 68, benachbart zu dem kuppelförmigen Teil 34 des
Brennereinsatzes 32. Dieser Umwälzwirbel 68 ist außerdem durch die
Luftstrahlen 58, 60 getragen bzw. gestützt, welche aus den
stromaufwärtigen Luftöffnungen 70, 72 abgegeben werden, die in
den Wandabschnitten 36, 38 angeordnet sind.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Luftöffnungen 70,
72 so ausgerichtet, daß sie die entsprechenden Luftstrahlen 60,
58 in Richtung auf den Kuppelteil 34 abgeben. Der Luftstrahl 60
dient damit dazu, die Bildung des Wirbels 68 zu fördern,
während der Luftstrahl 58, welcher in einer entgegengesetzten
Richtung zu den Kuppelluftstrahlen 62-66 abgegeben wird,
dahingehend wirkt, den Umwälzstrom von der Innenseite des Einsatzes
32 zum Stabilisieren des Wirbels 68 benachbart zu dem
Kuppelteil 34 abzuheben. Gezeigt sind außerdem eine Reihe von normal
abgebenden Düsen 80, die zwischen den Kuppelstrahlen 62-66 und
den gegenüberliegenden Abgabestrahlen 58 angeordnet sind.
Zusätzliche Wandluftöffnungen 74, 76 geben zusätzliche Kühlluft
78 ab, um die Einsatzwände 36, 38 durch einen Kühlfilm zu
schützen, wie auf diesem Gebiet der Technik an sich bekannt.
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Der verteilte Kraftstoff 48, der von der Düsenspitze 46
abgegeben wird, vermischt sich mit der Luft in dem Umwälzwirbel 68
und wird anfänglich durch eine (nicht gezeigte) elektrische
Zündeinrichtung gezündet. Während des Betriebs der
Gasturbinenmaschine zirkuliert reagierender Kraftstoff und reagierende
Luft in dem Wirbel 68 unter Stabilisierung des
Verbrennungsprozesses durch kontinuierliches Mischen heißer
Verbrennungsprodukte mit unreagiertem Kraftstoff und unreagierter Luft. Die
heißen Produkte dienen dazu, den erneut eingelassenen
Kraftstoff und die erneut eingelassene Luft innerhalb der
Brennkammer 32 zu zünden, wodurch der Brenner eine stabile
Reaktionsflamme aufrechterhalten kann, wenn der Kraftstoffstrom und die
Luft über den Motorbetriebsbereich variiert wird.
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Die Gasturbinenmaschine 10 mit einer erfindungsgemäßen
Brenneranordnung würde eine Mehrzahl von Kraftstoffdüsen 44 verwenden,
von denen jede den ringförmigen Einsatz 32 an umfangsmäßig
beabstandeten Stellen in bezug auf die Maschinenmittenlinie
(nicht gezeigt) durchsetzt. Jede Düse 44 gibt Kraftstoff in den
einzigen ringförmigen Wirbel 68 ab, wodurch eine verbesserte
Stabilität im Vergleich zu Düsenanordnungen gemäß dem Stand der
Technik erzielt wird, bei welchen jede Düse einen umgebenden
Turbulenz-erzeugenden Verwirbeler oder dergleichen umfaßt. Der
einzige Wirbel der erfindungsgemäßen Brenneranordnung erbringt
eine Flexibilität beim Anordnen der Kraftstoffdüsen um das
stromaufwärtige Ende des Brenners, um aus den geometrischen
Merkmalen bestimmter Maschinen Vorteil zu ziehen. Diese
flexible Kraftstoffdüsenanordnung erlaubt außerdem axiale und
tangentiale Kraftstoffabgabe-Strömungslinien.
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Die Anordnung der Kraftstoffdüse 44 und der Düsenöffnung 42
zusammenfallend mit dem Stagnationspunkt der externen
Luftströmung 24, die von den Diffusorrohren 22 abgegeben wird, erhöht
außerdem, daß Niedriglast-Niedrigströmungsleistungsvermögen, da
eine bestimmte Luftmenge in die Kraftstoffdüse 44 durch die
Lufteinlaßöffnung 39 zuströmen muß, um den Kraftstoffnebel
unter einer Niedriglastbedingung zu zerstäuben. Der
Stagnationspunkt eines Gases, welches über eine Außenfläche strömt,
entspricht dem Punkt höchsten statischen Drucks auf der
Körperoberfläche. Der höchste statische Druck über dem Äußeren des
Einsatzes 32 liegt im Bereich der Düsenöffnung 42. Selbst bei
geringen Diffusorabgabe-Luftstromraten ergibt dadurch der
Luftstrom aus den Luftöffnungen 52, 54, 56, die benachbart zu der
Kraftstoffdüse 44 angeordnet sind, ebenso wie ein Luftstrom,
der aus der Düsenspitze 46 austritt, eine vergleichsweise
höhere Strömungsrate als aus den Luftöffnungen und dergleichen
in dem Rest der Brennkammer 30. Der vergrößerte lokale
Luftstrom führt zu einer Beibehaltung eines guten
Düsenleistungsvermögens und eines starken Umwälzwirbels selbst unter
Niedriglastbedingungen.
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Während die erfindungsgemäße Brenneranordnung anhand einer
Gasturbinenmaschine mit einer Zentrifugal-Kompressor-Endstufe,
einem Rohrdiffusor und einem mit Luftöffnungen versehenen
Brennereinsatz 32 offenbart wurde, erschließt sich dem Fachmann auf
diesem Gebiet der Technik, daß diese Anordnung gleichermaßen in
einem vollständig axialen Kompressor mit einem ringförmigen
Diffusor und einem Kühlsatz unter Verwendung von Formlöchern
oder anderen Mitteln zum Einlassen und Richten von Druckluft in
das Innere der Brennkammer verkörpert sein kann.